CN111566804B - 包括夹持系统的焊线机的操作系统及方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种操作超声波焊接机的方法。方法包括以下步骤：(a)成像(i)由基板支撑的半导体元件和(ii)适于在焊接操作期间固定所述基板的夹持结构中的至少一者；以及(b)利用预确定的标准和来自步骤(a)的信息，确定所述半导体元件和夹持结构的相对位置是否可接受。

Description

包括夹持系统的焊线机的操作系统及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年1月9日递交的美国临时专利号62/615,350的权益，所述美国临时专利申请的内容通过引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及超声波焊接(ultrasonic bonding)，且更具体地涉及用于超声波焊线(ultrasonic wire bonding)的改进的夹持操作。
背景技术
在半导体器件的加工和封装中，超声波焊线(比如球形焊接、楔形焊接、带形焊接等)一直是广泛使用的在两个位置之间(比如在半导体管芯的管芯焊盘与引线框的引线之间)提供电互连的方法。
在焊线操作中，焊线工具的上端在许多实例中配置成接合在超声波焊接系统的换能器(比如，超声波换能器)中，这造成焊线工具在焊接期间振动。超声波焊接是这样的连接过程，其例如可使用线材与下层表面之间的相对运动来促进到该下层表面的焊接。楔形焊接是一种为人熟知的焊线类型。
与超声波焊线(例如，楔形焊接)有关地，半导体管芯(或其它半导体元件)被安装在基板(比如引线框基板)上是典型的。在某些应用中，基板的支撑半导体管芯的部分可被视为散热器。
期望的是，使基板(包括半导体管芯)在超声波焊线机上固定就位。夹持结构(比如，夹持指)可用于提供该夹持。有时期望令夹持结构靠近半导体管芯以提供牢固的夹持力，例如以提供高效且稳健的焊线过程。不幸的是，夹持结构的近的接近度可导致损坏半导体管芯。
因此，将会期望的是，提供改进的焊线系统以及操作这样的焊线系统的方法、尤其是与焊线系统的夹持操作相关的方法。
发明内容
根据本发明的示例性实施例，提供一种操作超声波焊接机的方法。方法包括：(a)成像(i)由基板支撑的半导体元件和(ii)适于在焊接操作期间固定所述基板的夹持结构中的至少一者；以及(b)利用预确定的标准和来自步骤(a)的信息，确定所述半导体元件和夹持结构的相对位置是否可接受。
根据本发明的另一示例性实施例，提供一种超声波焊接机。所述超声波焊接机包括以下步骤：用于支撑基板的支撑结构，所述基板配置成承载半导体元件；夹持结构，所述夹持结构用于在焊接操作期间将基板固定成抵靠支撑结构；成像系统，所述成像系统用于成像(i)由基板支撑的半导体元件和(ii)适于在焊接操作期间固定所述基板的夹持结构中的至少一者；以及计算机，所述计算机用于利用预确定的标准和来自成像系统的信息确定半导体元件和夹持结构的相对位置是否可接受。
附图说明
当与附图相联系来阅读时，本发明将从以下的详细描述被最佳地理解。所要强调的是，根据惯例，附图的不同特征并不成比例。相反，为了清楚起见，不同特征的尺寸被任意地扩大或缩小。附图中包括以下这些图：
图1是根据本发明的示例性实施例的焊线机的元件的框图侧视图；
图2A-2C是根据本发明的不同示例性实施例的、图1的焊线机的元件的框图图示；以及
图3A-3C是有助于图示根据本发明的不同示例性实施例的操作焊线机的方法的、图1的焊线机的元件的框图图示；以及
图4是流程图，图示出根据本发明的示例性实施例的操作超声波焊接机的方法。
具体实施方式
如本文中所使用的，术语“半导体元件”意图指代可与超声波焊接操作、比如超声波焊线操作有关地被附连到基板(或以其它方式由基板支撑)的任何类型的半导体器件。示例性的半导体元件包括裸露的半导体管芯、封装的半导体管芯、部分封装的半导体管芯等等。如本领域技术人员将理解的，与焊线操作有关地，焊线机被配置来焊接半导体元件与基板(比如，引线框、另一半导体元件等)间的线材。
如本文中所使用的，术语“计算机”意图宽泛地指代配置用于确定(如利用软件和/或其它逻辑)半导体元件和夹持结构的相对位置是否可接受的任何类型的器件或系统。判定可利用预确定的标准(比如，要求的间距、可接受的区域等)作出。示例性的计算机包括个人计算机、可编程逻辑控制器、其它基于可编程处理器的系统等等。所述计算机可集成为焊线机的一部分(比如，现有的计算机被包括在焊线机中、如图1中所示的计算机114)，和/或所述计算机可以是与焊线机分开的计算机。
根据本发明的某些示例性实施例，提供图案识别(或其它成像)过程。过程包含测量(i)基板(比如，散热器)上的半导体元件(比如，半导体管芯)与(ii)夹持结构(比如，一个或多个夹持指)的相对位置以辨识潜在可能的问题、以示警使用者和/或以触发校正动作。
例如，半导体管芯在基板上的置位会变化，且因此，如果夹持结构紧邻半导体管芯定位，则会导致损坏半导体管芯。
根据本发明的不同方面，在超声波焊接机(比如焊线机、例如楔形焊接机)上实施成像操作。成像操作被使用，以利用预确定的标准来确定半导体元件(比如，半导体管芯)和夹持结构的相对位置是否可接受。
本发明的目的在于降低损坏的半导体元件在损坏未被检测出的情况下到达现场的潜在可能。例如，轻微损坏的器件可以通过电测试，但在现场于操作条件(如热应力等)下仍可能失效。根据本发明的方面，夹持结构(例如，夹持指)太靠近半导体管芯情况下或者夹持结构甚至可能接触到半导体管芯情况下的组件(包括半导体元件)被辨识出。在检测到这样的状况后，可示警使用者，例如：(a)不进行器件焊接，(b)标记器件，和/或(c)采取一些校正动作。
夹持指在超声波焊接(比如，楔形焊线)中常用来在焊接期间使基板牢固保持就位。夹持指如期望地置位在夹持工位处的各固定机械位置处。因此，与基板上的半导体元件(比如，散热器上的半导体管芯)的相对位置可因为转位/索引(index)变化而从转位/索引到转位/索引有所不同、和/或可因先前管芯附连所致的管芯置位变化而从器件到器件有所不同。另外，夹持结构位置也会变化(比如，由于操作员失误、设置问题等)。根据本发明的方面，对于例如每个器件，测量管芯与离管芯最近的夹持指的相对位置。这将允许辨识出临界器件。
超声波焊线机的许多使用者对于允许在基板的散热器上夹持是勉强的。示例的行业趋势包括更薄的散热器、具有更大面积的管芯、由CTE不匹配所致的更强的散热器翘曲以及软焊料管芯附连工艺。这些趋势使得在不夹持于散热器上的情况下进行超声波焊接越来越困难。
所提出的改进的夹持方案提供检查，以给焊线机使用者提供更强的信心。本发明尤其可应用于夹具置于散热器上和/或靠近管芯的基于引线框的楔形焊接应用中。
本发明可采用焊接器上的成像系统(比如，摄像机)来成像“夹持后的配置构造”；然而，也考虑替代的方式/方法。例如，一个变型是甚至在闭合夹具之前也使用图案识别(pattern recognition,PR)，从而大体上防止由夹持所致的管芯损坏的潜在可能。例如，这也可利用上游的PR摄像机完成，上游的PR摄像机针对有可能与夹具干涉的边远片块进行检查。这样的摄像机还可针对其它的管芯缺陷(比如，避免焊接头的着墨的管芯、劣次管芯等)进行检查。
现在参考附图，图1图示出超声波焊线机116(比如，楔形焊线机)的元件。焊线机116包括支撑结构106，支撑结构配置成支撑基板102(比如，引线框基板)。半导体元件100(比如，半导体管芯)已被附连到基板102。在焊线操作期间夹持结构104使基板102抵靠焊线机116的支撑结构106固定。焊线机116还包括用于承载焊线工具112(比如，楔形焊接工具，也称为楔)的焊接头108，焊线工具用于将线材的部分焊接到半导体元件100和/或基板102。焊接头108还承载成像系统110(比如，摄像机)的元件。例如，成像系统110可包括诸如镜头、摄像元件之类的光学元件以及其它光学元件。
成像系统110配置成成像(i)由基板102支撑的半导体元件100和(ii)适于在焊线操作期间固定基板102的夹持结构104中的至少一者，从而生成图像数据。半导体元件100和/或夹持结构104的成像可以是整个元件/结构的(成像)，或者也可以是元件/结构的待用于本文中所描述的操作的部分的成像。因此，清楚的是，如果期望，则可由成像系统110成像半导体元件100和/或夹持结构104的仅一部分。成像操作可以利用成像系统110(比如，摄像机110)以单个视场或通过多个视场实施。图像数据118从成像系统110被提供到计算机114，以供在确定半导体元件100和夹持结构104的相对位置是否可接受中使用。计算机114利用预确定的标准和信息确定半导体元件100和夹持结构104的相对位置是否可接受。预确定的标准和/或信息存储在计算机114处或可由计算机存取。
图2A-2C和图3A-3C是图1的焊线机116的元件的俯视图，其中为简明起见，其它元件被移除。在图2B-2C和图3A-3C中，来自图1(和图2A)的一个夹持结构104已被多个夹持结构104a(比如，夹持指104a)替代。如本领域技术人员将理解的，可以采用任何类型的夹持结构来与本发明相关联地将基板固定到支撑结构。示例性的夹持结构包括夹持指、夹持块、夹持插件、窗夹(window clamp)、器件夹(device clamp)等其它。
图2A图示出基板102上的半导体元件100(比如，半导体管芯)。夹持结构104被提供来在焊接操作期间固定基板102(比如，抵靠支撑结构106，支撑结构在图2A-2C和图3A-3C中未示出)。在图2A中，夹持结构104与半导体元件100之间有充分的空间(如根据一定的预定标准确定的)。图2B图示出在半导体元件100的右手侧上的替代的夹持结构104a(比如，夹持指)。在图2B中，夹持结构104、104a与半导体元件100之间有充分的空间(如根据一定的预定标准确定的)。图2C以与图2B相同的元件图示出半导体元件100定位成过于靠近(且事实上接触)某些夹持结构104a。
如本文中描述的，根据本发明的示例性方面，建立半导体元件和夹持结构的可接受的相对位置。例如，该可接受的相对位置可通过限定针对半导体元件的相对于夹持结构的可接受区域来建立。图3A-3C图示出这样的可接受的相对位置的示例以及在这样的可接受的相对位置之外的半导体元件(图3C)。
图3A图示出超声波焊接机上的夹持结构104、104a的广义的配置结构(比如，与超声波焊接机的已知的XY定位有关)。在某些应用中，夹持结构104、104a的位置趋向于几乎没有变化。因此，可使用夹持结构的位置来限定针对半导体元件100的可接受区域202。例如，图3A中的可接受区域202由容限标记200限定(或界定)。容限标记200利用夹持结构104、104a的位置确定。如本领域技术人员将理解的，容限标记200有可能是假想的标记；也就是，它们仅是图示性的、但指示出在(比如，由计算机)确定半导体管芯是否在可接受区域202中所考虑的实际容限位置。然而，将理解的是，如果期望，这样的容限标记200也可以并入到叠覆物(或类似物)中使得半导体管芯100的实际图像可相对于容限标记200来查看。
在图3B中，半导体元件100被示出为在可接受区域202内(比如，半导体元件100被示出为在容限标记200内)。然而，由于置位不精确或者一些其它的原因，在图3C中，半导体元件100未在可接受区域202内。
尽管图3A-3C图示了由两个容限标记200(其中，各容限标记用于沿着一条轴线界定可接受区域)限定的“可接受区域”202的示例，然而还考虑其它的配置构造。例如，容限标记可沿着多条轴线被包括以限定可接受区域。
另外，半导体元件的相对于夹持结构的可接受的相对位置可以以其它方式建立——也就是不同于限定“可接受区域”的方式。例如，可利用图像数据来确定在夹持结构与半导体元件之间是否有最小阈值距离(比如，分隔)。当然，还考虑其它示例。
图4是根据本发明的示例性实施例的流程图。如本领域技术人员理解的，在本发明的范围内，流程图中所包括的某些步骤可被省去；可以增加某些另外的步骤；以及步骤的顺序可以从图示的顺序变更。
图4图示出操作超声波焊接机(比如焊线机、例如楔形焊接机)的方法。在步骤400处，建立半导体元件和夹持结构的可接受的相对位置。例如，这样的可接受的相对位置可借助限定可接受区域(比如，利用如图3A-3C中的容限标记)或通过其它方式来建立。在步骤402处，成像(i)由基板支撑的半导体元件和(ii)适于在焊接操作期间固定所述基板的夹持结构中的至少一者。例如，可利用成像系统(比如，参见图1中的成像系统110)来成像任何期望的部分，以生成图像数据(比如，参见图1中的图像数据118)。在步骤404处，作出(比如，利用图1中的计算机114)关于半导体元件和夹持结构的相对位置是否可接受的判定。判定利用预确定的标准(比如，由步骤400建立的可接受的位置)和来自步骤402的信息(比如，来自步骤402的图像数据)作出。例如：如果步骤400包括限定一可接受区域作为半导体元件的可接受的相对位置；并且步骤402包括成像半导体元件的至少一部分——那么步骤404可包括确定半导体元件是否定位在所述可接受区域内。
如果判定指示相对位置不可接受(比如，参见图3C)，那么该信息可用于例如：在焊接之前辨识潜在可能的问题；示警超声波焊接机的使用者/操作者；和/或触发校正动作。
尽管本文中参考特定的实施例图示和描述了本发明，然而并不意图将本发明限于所示的细节。相反，可以在权利要求的范围及其等同范围内且在不脱离本发明的情况下在细节上作出各种修改。

Claims (18)

1.一种操作超声波焊接机的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)成像(i)由基板支撑的半导体元件和(ii)适于在焊接操作期间固定所述基板的夹持结构中的每者；以及
(b)利用来自步骤(a)的图像数据测量半导体元件和夹持结构的相对位置，并利用预确定的标准确定所测量到的相对位置是否可接受，
所述方法还包括在步骤(a)之前建立半导体元件和夹持结构的可接受的相对位置的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)包括成像所述半导体元件的一部分。
3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)包括成像所述夹持结构的一部分。
4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)包括利用超声波焊接机的摄像机在单个视场中成像所述半导体元件和夹持结构中的每者。
5.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)包括使用超声波焊接机的摄像机利用多个视场成像所述半导体元件和夹持结构中的每者。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述可接受的相对位置由针对半导体元件的相对于夹持结构的可接受区域限定。
7.如权利要求6所述的方法，其中，步骤(b)包括利用来自步骤(a)的信息确定所述半导体元件是否在所述可接受区域内。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述预确定的标准与针对半导体元件的相对于夹持结构的可接受区域相关。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述预确定的标准包括所述半导体元件与夹持结构之间的最小阈值距离。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述超声波焊接机包括适于在焊接操作期间固定基板的多个夹持结构。
11.如权利要求10所述的方法，其中，步骤(a)包括成像以下中的每者：(i)由基板支撑的半导体元件，和(ii)所述多个夹持结构中的每个。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述半导体元件包括半导体管芯，并且所述基板包括用于支撑所述半导体管芯的散热器。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述夹持结构包括用于在焊接操作期间固定基板的至少一个夹持指。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述夹持结构包括用于在焊接操作期间固定基板的多个夹持指。
15.如权利要求1所述的方法，其中，所述超声波焊接机是焊线机。
16.如权利要求1所述的方法，其中，所述超声波焊接机是楔形焊线机。
17.一种超声波焊接机，包括：
用于支撑基板的支撑结构，所述基板配置成承载半导体元件；
夹持结构，所述夹持结构用于在焊接操作期间使基板抵靠支撑结构固定；
成像系统，所述成像系统用于成像(i)由基板支撑的半导体元件和(ii)适于在焊接操作期间固定所述基板的夹持结构中的每者；以及
计算机，所述计算机用于利用来自成像系统的图像数据测量所述半导体元件和夹持结构的相对位置并利用预确定的标准确定所测量到的相对位置是否可接受。
18.如权利要求17所述的超声波焊接机，其中，所述超声波焊接机是焊线机。
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